JPH04212129A

JPH04212129A - 光半導体装置

Info

Publication number: JPH04212129A
Application number: JP2650991A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Ishikawa; 英明石川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-07-03
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1992-08-03

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光半導体装置に係り、特
に光を照射することにより励起子を発生させて吸収率を
変化させる光半導体装置に関する。近年、大容量光通信
や高速光コンピュータ等に用いるために、光を光により
高速でスイッチングさせる光・光スイッチが注目され、
光のオン・オフ動作を超高速で行なうことが要求されて
いる。

【０００２】

【従来の技術】光のオン・オフ動作を超高速で行なうた
めに、ＴＢＱ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｂｉ−Ｑｕａｎｔ
ｕｍ　Ｗｅｌｌ）　構造を有する光半導体装置が提案さ
れている（特願昭６３−２２４５４７号、及びＴａｋｅ
ｕｔｉ　ｅｔ　ａｌ．ＪＪＡＰ２８，Ｌ１０９８（１９
８９）参照）。ＴＢＱ構造は、幅の狭い量子井戸と幅の
広い量子井戸を交互に多数設けたものである。

【０００３】幅の狭い量子井戸の準位に共鳴する波長の
光を照射すると、幅の狭い量子井戸に励起子が生成され
て光を吸収し難くなり、光の吸収率が低下する。励起子
が生成されるとトンネル現象により励起子の電子が幅の
広い量子井戸に抜け出すので、再び光を吸収できるよう
になり吸収率が回復する。このようにＴＢＱ構造の光半
導体装置では１０ｐｓｅｃのオーダで光吸収回復が可能
であり、高速で光をオンオフすることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようにＴＢＱ構造
の光半導体装置は、光吸収回復時間が１０ｐｓｅｃのオ
ーダで５０％程度までは回復するが、その後は徐々にし
か回復せず、その緩和時間はｎｓｅｃのオーダになるこ
とが報告されている（竹内他、電気学会研究資料、計測
研究会、ＩＭ−９０−１５〜１８参照）。そしてその原
因は、質量の重い正孔のトンネル時間が長いためと説明
されている。

【０００５】従って、ＴＢＱ構造の光半導体装置をより
高速に動作させようとすると、トンネリングにより抜け
出した電子や正孔が幅の広い量子井戸に溜まって拡散や
再結合により消失するのに時間がかかるだけでなく、ト
ンネル時間が長いために狭い量子井戸内に正孔が残るこ
とにより、オンオフ動作のノイズマージンが低下すると
共に、高速動作が困難となるという問題があった。また
、励起光パルスを繰り返して入射すると、電子や正孔の
溜まりに遮られてトンネルによる高速動作が困難になる
と共に、狭い量子井戸内に残った正孔に起因する長時間
の緩和過程にオンオフ動作が隠れてしまい高速動作が困
難になるという問題点があった。

【０００６】そこで本発明は、幅の広い量子井戸に電子
及び正孔が溜まるのを防止すると共に、幅の狭い量子井
戸に電子及び正孔が溜まるのを防止して、光の吸収回復
を早くすることができる光半導体装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の原理を図１乃至
図６を用いて説明する。図１に本発明の第１の原理を示
し、図２に比較のために従来の原理を示す。ＴＢＱ構造
は、第１の禁制帯幅を有し、励起子の存在が可能な第１
の厚さを有する第１の物質層２と、第１の禁制帯幅より
大きい第２の禁制帯幅を有し、電子及び正孔のトンネリ
ングが可能な第２の厚さを有する第２の物質層４と、第
２の禁制帯幅より小さい第３の禁制帯幅を有し、第１の
物質層２から第２の物質層４をトンネリングした電子及
び正孔が存在する第３の厚さを有する第３の物質層６と
が積層された積層体により構成され、図１（ａ）　及び
図２（ａ）　のエネルギバンド図に示すように、第１の
物質層２が幅の狭い量子井戸を構成し、第３の物質層６
が幅の広い量子井戸を構成している。

【０００８】幅の狭い量子井戸の準位に共鳴する光ｈν
を照射すると、幅の狭い量子井戸で励起子が生成され、
第２の物質層４をトンネリングして第３の物質層６に電
子及び正孔が抜け出す。従来のＴＢＱ構造の光半導体装
置においては、図２に示すように、電子が第３の物質層
６に溜まってなかなか消失しない。正孔についても、図
示はしないが同様のことがいえる。

【０００９】これに対し、本発明の第１の原理によれば
、ＴＢＱ構造の積層面に対して平行な方向に電界を印加
することにより、そのエネルギバンドを図１（ｂ）　に
示すように傾斜させ、第３の物質層６に抜け出した電子
を矢印方向に高速で移動させる。また正孔も、この矢印
方向と反対方向に高速で移動させる。このため電子及び
正孔が溜まることなく直ちに排出され、光の吸収回復が
迅速になされる。

【００１０】次に、図３に本発明の第２の原理を示し、
図４に比較のために従来の原理を示す。ＴＢＱ構造の光
半導体装置において、ＴＢＱ構造の積層面に対して垂直
な方向に電界を印加すると、図３に示すようにエネルギ
バンドが傾斜する。このため、第１の物質層２の幅の狭
い量子井戸で生成された励起子の電子と正孔は、井戸内
で電界によりそれぞれ反対方向に重心を移動させ、励起
子の分解には至らないが束縛エネルギーは実効的に弱く
なり、かつ、狭い量子井戸から第３の物質層６の広い量
子井戸への波動関数のしみ出しが大きくなる。従って、
電子及び正孔は共に幅の狭い量子井戸から第２の物質層
４をトンネリングして、それぞれ反対方向の幅の広い量
子井戸に容易に抜け出すことができる。また、幅の広い
量子井戸に抜け出した電子及び正孔は、電界に引かれて
互いに反対方向に移動する。

【００１１】これに対して、従来のＴＢＱ構造の光半導
体装置においては、図４に示すように、第１の物質層２
の幅の狭い量子井戸で生成された励起子の正孔は、その
質量が重いため、その波動関数の幅の広い量子井戸への
しみ出しが小さく、第２の物質層４をトンネリングして
第３の物質層６の幅の広い量子井戸に抜け出すことが容
易ではなかった。

【００１２】このように、本発明の第２の原理によれば
、ＴＢＱ構造の積層面に対して垂直な方向に電界を印加
することにより、幅の狭い量子井戸で生成された励起子
の電子のみならず、質量の重い正孔も、容易に第２の物
質層４をトンネリングして幅の広い量子井戸に抜け出す
ことができ、幅の狭い量子井戸に溜まることがなくなる
。従って、吸収回復過程における緩和時間を短縮するこ
とができ、オンオフ動作のノイズマージンを向上させる
と共に、励起光パルスの繰り返し入射に対しても高速応
答することが可能となる。

【００１３】なお、上記第１及び第２の原理において、
ＴＢＱ構造の積層面に対して平行又は垂直な方向に電界
をかける電界印加手段としては、ＴＢＱ構造の積層体の
左右又は上下に電極を設けることの他、積層体を挟んで
ｐｉｎ接合を形成するｐ型半導体層とｎ型半導体層とを
積層体の左右又は上下に設け、外部電界をかけるか或い
はまたこのｐｉｎ接合によって生じる内部電界を用いて
もよい。

【００１４】次に、図５及び図６に本発明の第３の原理
を示す。図５及び図６は、それぞれＴＢＱ構造の積層面
に対して垂直な方向に電界をかけていない場合及び電界
をかけている場合のエネルギーバンド図である。ＴＢＱ
構造の光半導体装置において、図５及び図６に示すよう
に、第３の物質層６中に、第３の禁制帯幅より大きい第
４の禁制帯幅を有し、第３の物質層６に存在する電子及
び正孔がトンネリングすることのできないバリアを形成
する第４の物質層８を設ける。この第４の物質層８によ
り、第３の物質層６の幅の広い量子井戸は第１の量子井
戸６ａと第２の量子井戸６ｂとに分割される。

【００１５】上記図３において、第１の物質層２の幅の
狭い量子井戸から第２の物質層４をトンネリングして第
３の物質層６の幅の広い量子井戸に抜け出した電子及び
正孔が電界によって加速され、隣の幅の狭い量子井戸に
至って更にトンネル現象を繰り返し、一種のアバランシ
ェ現象を起こす可能性がある。従って、広い量子井戸に
第４の物質層８を設けてバリアを形成することにより、
このアバランシェ現象の発生を防止することができ、幅
の広い量子井戸に抜け出した電子及び正孔が隣の幅の狭
い量子井戸に影響を及ぼすことはない。また、図６に示
すように、このバリアの存在により、第３の物質層６の
幅の広い量子井戸に抜け出した電子及び正孔は、それぞ
れ第１の量子井戸６ａと第２の量子井戸６ｂとに分離さ
れた形となり、互いに何の影響も及ぼし合わないという
理想的な状態が実現される。

【００１６】更に、第３の物質層６に形成された第１の
量子井戸６ａを所定の幅に設定し、電子の第１の物質層
２の幅の狭い量子井戸における基底量子準位と第１の量
子井戸６ａにおける基底量子準位との差がフォノンのエ
ネルギーに近い値になるように制御する。これにより、
励起子の電子が幅の狭い量子井戸から第２の物質層４を
トンネリングして第１の量子井戸６ａに抜け出す際、フ
ォノンを放出して容易に抜け出すことができる。また、
正孔については、第２の量子井戸６ｂを所定の幅に設定
し、幅の狭い量子井戸における基底量子準位と第２の量
子井戸６ｂにおけるエネルギーが高い量子準位との差を
制御することにより、励起子の正孔が幅の狭い量子井戸
から第２の量子井戸６ｂに抜け出すことを容易にするこ
とができる。

【００１７】このように、本発明の第３の原理によれば
、第３の物質層６中にバリアを形成する第４の物質層８
を設けることにより、第３の物質層６の幅の広い量子井
戸に抜け出した電子及び正孔がアバランシェ現象を起こ
すことを防止すると共に、これらの電子及び正孔が第１
の量子井戸６ａと第２の量子井戸６ｂとに分離されて互
いに何の影響も及ぼし合わない状態を実現することがで
きる。また、第１の量子井戸６ａと第２の量子井戸６ｂ
の幅をそれぞれ異なる所定の幅に制御し、電子及び正孔
が最も容易に第２の物質層４をトンネリングすることが
できるようにして、狭い量子井戸に溜まることをなくす
ことができる。

【００１８】

【作用】即ち本発明によれば、幅の広い量子井戸に電子
及び正孔が溜まるのを防止すると共に、幅の狭い量子井
戸に電子及び正孔が溜まるのを防止して、光の吸収回復
を早くすることができ、超高速で動作する光半導体装置
を実現できる。更に、励起光パルスの繰返しにも高速応
答することができる光半導体装置の実現も可能となる。

【００１９】

【実施例】本発明の第１の実施例による光半導体装置を
図７を用いて説明する。約１００μｍ厚の半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板１０は、信号光及び励起光を照射するために裏
面（図７の上面）から中央がくりぬかれている。半絶縁
性ＧａＡｓ基板１０の表面（図７の下面）には、ＡｌＧ
ａＡｓバッファ層１２とＡｌＧａＡｓ保護層１４に挟ま
れてＴＢＱ構造１６が設けられている。これらＡｌＧａ
Ａｓバッファ層１２とＴＢＱ構造１６とＡｌＧａＡｓ保
護層１４とで約５μｍの厚さである。

【００２０】本実施例のＴＢＱ構造１６は、第１の物質
層として厚さ４５ÅのＧａＡｓ層１６ａと、第２の物質
層として厚さ４０ÅのＡｌＧａＡｓ層１６ｂと、第３の
物質層として厚さ９０ÅのＧａＡｓ層１６ｃとを用い、
第２の物質層１６ｂ、第１の物質層１６ａ、第２の物質
層１６ｂ、第３の物質層１６ｃという構成を１２０周期
積層して形成されている。ＴＢＱ構造１６は約１０μｍ
の幅で約３０μｍの奥行をしている。

【００２１】ＴＢＱ構造１６の左右に相対する側面には
、約１０μｍ幅のｎ型コンタクト領域１８とｐ型コンタ
クト領域２０がそれぞれ形成されている。ｎ型コンタク
ト領域１８の下面にはＡｕＧｅ／Ａｕ電極層２２が形成
され、ｐ型コンタクト領域２０の下面にはＡｕ／Ｚｎ／
Ａｕ電極層２４が形成されている。ｎ型コンタクト領域
１８にｐ型コンタクト領域２０より高い電圧を印加する
。

【００２２】なお、ＴＢＱ構造１６に印加する電圧は、
電界強度が約１×１０４　Ｖ／ｃｍ以下になるようにす
ることが望ましい。電界強度が強すぎると幅の狭い量子
井戸における励起子がイオン化により壊されてしまうか
らである（Ｃｈｅｍｌａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｌｌｉ
ｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ，　ｖｏｌ　４２
，　ｐ８６４　（１９８３）；　Ｍｉｌｌｅｒ　ｅｔ　
ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ，ｖｏｌ　
Ｂ３２，　ｐ１０４３　（１９８５））　。

【００２３】また、ＴＢＱ構造１６の左右にｎ型コンタ
クト領域１８とｐ型コンタクト領域２０を設けるだけで
、ｐｉｎ接合によるエネルギバンドの曲りがあるため、
外部電圧を印加しなくとも内部電界によりＴＢＱ構造１
６の積層面に対して平行な方向に電界をかけることがで
き、従って第３の物質層１６ｃに抜け出した電子及び正
孔が加速され、吸収回復過程の高速化を行なうことがで
きる。

【００２４】本実施例の光半導体装置を製造するには、
半絶縁性ＧａＡｓ基板１０上に例えばＭＢＥ法により、
ＡｌＧａＡｓバッファ層１２、ＴＢＱ構造１６、ＡｌＧ
ａＡｓ保護層１４を順次結晶成長させた。成長温度は６
００℃である。なお、ＴＢＱ構造１６はＭＯＣＶＤ結晶
成長法によって製造してもよい。ｎ型コンタクト領域１
８は、パターニングした窒化膜をマスクとしてＳｉをＥ
Ｂ蒸着し、熱拡散でＳｉを高濃度に注入して形成する。同様に、ｐ型コンタクト領域２０は、パターニングした
窒化膜をマスクとしてＺｎをＥＢ蒸着し、熱拡散でＺｎ
を高濃度に注入して形成する。

【００２５】尚、これら高濃度ｎ型及びｐ型のコンタク
ト領域は、集束イオンビームを用いてドーパントを注入
した後にアニーリングで活性化しても形成できる。半絶
縁性ＧａＡｓ基板１０を選択的に化学エッチングし、Ａ
ｌＧａＡｓバッファ層１２を部分的に露出させた後、ｎ
型コンタクト領域１８とｐ型コンタクト領域２０に金属
を蒸着してＡｕＧｅ／Ａｕ電極層２２とＡｕ／Ｚｎ／Ａ
ｕ電極層２４を形成した。

【００２６】本実施例では、ＹＡＧレーザで励起したダ
イ・レーザ光を用いたパンプアンドプローブ方式により
光励起する。即ち、ＡｌＧａＡｓバッファ層１２上方か
らほぼ垂直に信号光を入射し、ＴＢＱ構造１６を透過す
る透過光の強度を測定する。ＡｌＧａＡｓバッファ層１
２上方斜めからパルス状の励起光を入射する。信号光も
励起光も幅の狭いＧａＡｓ層１６ａの量子井戸の準位に
共鳴する周波数νの光である。

【００２７】パルス状の励起光が入射すると、ＧａＡｓ
層１６ａの量子井戸において多数の励起子が発生し、Ｔ
ＢＱ構造１６で光が吸収し難くなり一時的に信号光の透
過光が強くなる。発生した励起子の電子はＡｌＧａＡｓ
層１６ｂをトンネリングしてＧａＡｓ層１６ｃに移動し
、正孔はＧａＡｓ層１６ａに残る。ＴＢＱ構造１６に印
加された電界により、ＧａＡｓ層１６ｃ及びＧａＡｓ層
１６ａのエネルギバンドは傾斜しているので、抜け出た
電子及び正孔は高速でＧａＡｓ層１６ｃ及びＧａＡｓ層
１６ａ中をそれぞれ移動し、ｎ型コンタクト領域１８及
びｐ型コンタクト領域２０にそれぞれ排出される。この
ため、一時的に低下したＴＢＱ構造１６の吸収率も急速
に回復する。

【００２８】本実施例による光半導体装置においてパル
ス状の励起光を入射した場合のＴＢＱ構造の吸収率の変
化を図８に示す。同図に示すように、ＴＢＱ構造の吸収
回復時間は約６００ｆｓと１ｐｓｅｃより小さく急速に
回復していることがわかる。図９に示すように、従来の
光半導体装置の場合は吸収率の回復が１０ｐｓｅｃのオ
ーダであったので、従来に比べて本実施例では光の吸収
回復が１桁以上高速化した。

【００２９】次に、本発明の第２の実施例による光半導
体装置を図１０に示す。図７の光半導体装置と同一の構
成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施
例は、ＡｌＧａＡｓバッファ層１２上面とＡｌＧａＡｓ
保護層１４下面に、例えばＡｌ等の金属の金属薄膜２６
、２８をそれぞれ２００Åの厚さに形成して半透光性の
反射膜を設け、ファブリペロエタロンとしたものである
。

【００３０】本実施例によればＴＢＱ構造を含む受光部
をファブリペロエタロンにしたので、Ｓ／Ｎ比が向上し
た。次に、本発明の第３の実施例による光半導体装置を
図１１に示す。本実施例は上記第１及び第２の実施例と
半導体材料が異なる。半絶縁性ＩｎＰ基板３０上にＩｎ
Ｐバッファ層３２とＩｎＰ保護層３４に挟まれてＴＢＱ
構造３６が設けられている。ＴＢＱ構造３６は、第１の
物質層として４４ÅのＩｎＧａＡｓ層３６ａと、第２の
物質層として４１ÅのＩｎＰ層３６ｂと、第３の物質層
として８８ÅのＩｎＧａＡｓ層３６ｃとを用い、第２の
物質層３６ｂ、第１の物質層３６ａ、第２の物質層３６
ｂ、第３の物質層３６ｃという構成を１２０周期積層し
て形成されている。

【００３１】ＴＢＱ構造３６の相対する側面には、ｎ型
コンタクト領域３８とｐ型コンタクト領域４０がそれぞ
れ形成されている。ｎ型コンタクト領域３８はＳｉある
いはＳｎを拡散して形成し、ｐ型コンタクト領域４０は
Ｚｎを拡散して形成する。これらのコンタクト領域は、
集束イオンビームを用いてドーパントを注入した後にア
ニーリングで活性化することによっても形成できる。ｎ
型コンタクト領域３８の上面にはＡｕＧｅ／Ａｕ電極層
４２が形成され、ｐ型コンタクト領域４０の上面にはＡ
ｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層４４が形成されている。

【００３２】ｎ型コンタクト領域３８にｐ型コンタクト
領域４０より高い電圧を印加してＴＢＱ構造３６のＩｎ
ＧａＡｓ層３６ｃ及びＩｎＧａＡｓ層３６ａのエネルギ
バンドを傾斜させて、電子及び正孔を高速に移動させて
光の吸収回復の高速化を図っている。本実施例ではＩｎ
Ｐ基板３０が透明であるため、第１及び第２の実施例の
ように基板の中央部をエッチング除去する必要がない。

【００３３】次に、本発明の第４の実施例による光半導
体装置を図１２に示す。本実施例は、ＴＢＱ構造を上下
に挟むｎ型コンタクト領域とｐ型コンタクト領域とを介
してそれぞれ電極層を設けると共に、ＴＢＱ構造１６の
第３の物質層１６ｃ中にバリアを形成する第４の物質層
を設けたものである。即ち、ｎ型ＧａＡｓ基板５０及び
その上に形成されたｎ型ＧａＡｓバッファ層５２は、信
号光及び励起光を照射するために中央がくりぬかれてい
る。ｎ型ＧａＡｓバッファ層５２の表面（図１２の下面
）には、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５４とＰ型ＡｌＧａＡｓ層
５６に上下を挟まれてＴＢＱ構造５８が設けられている
。

【００３４】本実施例のＴＢＱ構造５８は、第１の物質
層として厚さ４５ÅのＧａＡｓ層５８ｂと、第２の物質
層として厚さ４０ÅのＡｌＧａＡｓ層５８ｂと、第３の
物質層として厚さ９０ÅのＧａＡｓ層５８ｃ及び厚さ１
００ÅのＧａＡｓ層５８ｄと、第４の物質層として厚さ
１００ÅのＡｌＧａＡｓ層５８ｅとを用い、第２の物質
層５８ｂ、第１の物質層５８ａ、第２の物質層５８ｂ、
第３の物質層５８ｃ、第４の物質層５８ｅ、第３の物質
層５８ｄという構成を１２０周期積層して形成されてい
る。

【００３５】なお、このとき、第４の物質層としてのＡ
ｌＧａＡｓ層５８ｅは、第２の物質層としてのＡｌＧａ
Ａｓ層５８ｂと同じ組成、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ
（ｘ＝０．５）とし、その厚さ１００Åとしたが、これ
以上の厚さを有していてもよい。また、厚さを厚くして
バリアの幅を広くする代わりに、例えば組成比ｘを大き
くしてバリアの高さを高くしてもよい。

【００３６】また、ｎ型ＧａＡｓ基板５０の上面にはＡ
ｕＧｅ／Ａｕ電極層６０が形成され、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ
層５６の下面にはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層６２が形成さ
れている。これらのＡｕＧｅ／Ａｕ電極層６０、Ａｕ／
Ｚｎ／Ａｕ電極層６２に外部電界を印加し、Ｎ型ＡｌＧ
ａＡｓ層５４をＰ型ＡｌＧａＡｓ層５６よりも高い電圧
にしてＴＢＱ構造５８のエネルギバンドをその積層面に
垂直方向に傾斜させて、電子及び正孔のトンネル時間を
短縮して光の吸収回復の高速化を図っている。

【００３７】なお、ＴＢＱ構造５８の上下にＮ型ＡｌＧ
ａＡｓ層５４とＰ型ＡｌＧａＡｓ層５６とを設けるだけ
で、ｐｉｎ接合によるエネルギバンドの曲りがあるため
、外部電圧を印加しなくとも内部電界によりＴＢＱ構造
５８の積層面に垂直方向の電界をかけることができ、従
って電子のみならず質量の重い正孔も第２の物質層５８
ｂをトンネリングすることが容易になり、吸収回復過程
の高速化を行なうことができる。勿論、ＡｕＧｅ／Ａｕ
電極層６０及びＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層６２に外部電界
を印加してもよいし、この場合の方が電界強度を所望の
値に制御することができるという利点がある。

【００３８】本実施例の光半導体装置を製造するには、
ｎ型ＧａＡｓ基板５０上に例えばＭＢＥ法により、ｎ型
ＧａＡｓバッファ層５２、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５４、Ｔ
ＢＱ構造５８、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５６を順次結晶成長
させた。成長温度は６００℃である。なお、ＴＢＱ構造
５８はＭＯＣＶＤ結晶成長法によって製造してもよい。また、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５４のドーパントにはＳｉを
用い、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５６のドーパントにはＢｅを
用いた。更に、受光部のｎ型ＧａＡｓ基板５０及びｎ型
ＧａＡｓバッファ層５２を選択的に化学エッチングし、
Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５４を部分的に露出させた後、ｎ型
ＧａＡｓ基板５０上面とＰ型ＡｌＧａＡｓ層５６下面に
それぞれ金属蒸着法を用いてＡｕＧｅ／Ａｕ電極層６０
とＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層６２を形成した。

【００３９】本実施例でも、上記第１の実施例と同様に
パンプアンドプローブ方式で光励起する。即ち、幅の狭
いＧａＡｓ層５８ａの量子井戸の準位に共鳴する周波数
νの信号光をＮ型ＡｌＧａＡｓ層５４上方からほぼ垂直
に入射する。そしてＮ型ＡｌＧａＡｓ層５４上方斜めか
ら同じ周波数νのパルス状の励起光を入射すると、Ｇａ
Ａｓ層５８ａの量子井戸において多数の励起子が発生し
、ＴＢＱ構造５８で光が吸収し難くなり一時的に信号光
の透過光が強くなる。このとき、ＴＢＱ構造５８の積層
面に垂直な方向に印加された電界により、発生した励起
子の電子のみならず質量の重い正孔もＡｌＧａＡｓ層５
８ｂを容易にトンネリングして、それぞれ反対方向のＧ
ａＡｓ層５８ｃ、５８ｄの量子井戸に抜け出す。そして
これらの電子及び正孔は、電界に引かれて互いに反対方
向に移動する。

【００４０】また、ＧａＡｓ層５８ｃとＧａＡｓ層５８
ｄとの間にはバリアを形成するＡｌＧａＡｓ層５８ｅが
設けられているため、ＧａＡｓ層５８ｃ、５８ｄに抜け
出した電子及び正孔が電界によって加速されても、アバ
ランシェ現象を起こして隣のＧａＡｓ層５８ａの量子井
戸に影響を及ぼすことはない。そして電子及び正孔はそ
れぞれＧａＡｓ層５８ｃ、５８ｄの量子井戸に分離され
、互いに何の影響も及ぼし合わない状態が実現される。

【００４１】こうして、一時的に低下したＴＢＱ構造５
８の吸収率も急速に回復する。本実施例による光半導体
装置においてパルス状の励起光を入射した場合のＴＢＱ
構造の吸収率の変化を図１３に示す。このときのＴＢＱ
構造５８に印加する電界は約１×１０４　Ｖ／ｃｍであ
る。同図に示すように、ＴＢＱ構造の吸収は約２０ｐｓ
ｅｃの緩和時間で完全に元の値に戻っていることがわか
る。従って、図１４に示すように従来の光半導体装置の
場合に吸収が完全に元の値に戻るのにｎｓｅｃのオーダ
の緩和時間を要していたのと比較すると、２桁近く改善
されている。

【００４２】次に、本発明の第５の実施例による光半導
体装置を図１５に示す。図１２の光半導体装置と同一の
構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。本実
施例は、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５４上面とＰ型ＡｌＧａＡ
ｓ層５６下面に、例えばＡｌ等の金属の金属薄膜６４、
６６をそれぞれ２００Åの厚さに形成して半透光性の反
射膜を設け、ファブリペロエタロンとしたものである。

【００４３】従って、上記第２の実施例と同様に、本実
施例によればＴＢＱ構造を含む受光部をファブリペロエ
タロンにしたので、Ｓ／Ｎ比が向上した。次に、本発明
の第６の実施例による光半導体装置を図１６に示す。本
実施例は上記第４及び第５の実施例と半導体材料が異な
る。ｎ型ＩｎＰ基板７０上にｎ型ＩｎＰ層７２とｐ型Ｉ
ｎＰ層７４に挟まれてＴＢＱ構造７６が設けられている
。ＴＢＱ構造７６は、第１の物質層として厚さ４４Åの
ＩｎＧａＡｓ層７６ａと、第２の物質層として厚さ４１
ÅのＩｎＰ層７６ｂと、第３の物質層として厚さ８８Å
のＩｎＧａＡｓ層７６ｃ及び厚さ１００ÅのＩｎＧａＡ
ｓ層７６ｄと、第４の物質層として厚さ１００ÅのＩｎ
Ｐ層７６ｅとを用い、第２の物質層７６ｂ、第１の物質
層７６ａ、第２の物質層７６ｂ、第３の物質層７６ｃ、
第４の物質層７６ｅ、第３の物質層７６ｄという構成を
１２０周期積層して形成されている。

【００４４】また、ｎ型ＩｎＰ基板７０の下面にはＡｕ
Ｇｅ／Ａｕ電極層７８が形成され、ｐ型ＩｎＰ層７４の
上面にはＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層８０が形成されている
。これらのＡｕＧｅ／Ａｕ電極層７８、Ａｕ／Ｚｎ／Ａ
ｕ電極層８０に外部電界を印加し、ｎ型ＩｎＰ層７２を
ｐ型ＩｎＰ層７４よりも高い電圧にしてＴＢＱ構造７６
のエネルギバンドをその積層面に垂直方向に傾斜させて
、電子及び正孔のトンネル時間を短縮して光の吸収回復
の高速化を図っている。

【００４５】なお、ＴＢＱ構造７６の上下にｎ型ＩｎＰ
層７２とｐ型ＩｎＰ層７４とを設けるだけで、ｐｉｎ接
合による内部電界を利用してもよいのは、上記第４の実
施例の場合について述べたことと同様である。本実施例
ではｎ型ＩｎＰ基板７０が透明であるため、上記第４及
び第５の実施例のように基板の中央部をエッチング除去
する必要がないのは、上記第３の実施例の場合と同様で
ある。

【００４６】次に、本発明の第７の実施例による光半導
体装置を図１７に示す。本実施例は、図７に示す第１の
実施例と図１２に示す第４の実施例とを組み合わせ、Ｔ
ＢＱ構造の積層面に対して平行及び垂直な方向に電界を
かけるようにしたものである。従って、図７及び図１２
の光半導体装置と同一の構成要素には同一の符号を付し
て説明を省略する。

【００４７】ここで、ＴＢＱ構造５８とＮ型ＡｌＧａＡ
ｓ層５４及びＰ型ＡｌＧａＡｓ層５６との間にそれぞれ
Ｉ型ＡｌＧａＡｓ層８２、８４が設けられているのは、
これらＮ型ＡｌＧａＡｓ層５４及びＰ型ＡｌＧａＡｓ層
５６とＴＢＱ構造５８の左右に形成されたｎ型コンタク
ト領域１８及びｐ型コンタクト領域２０とを電気的に分
離するためである。従って、図１７に示されるように、
ＴＢＱ構造５８上にのみＰ型ＡｌＧａＡｓ層５６が形成
される場合には、Ｉ型ＡｌＧａＡｓ層８４を設けなくと
もよい。

【００４８】本実施例の光半導体装置を製造するには、
ｎ型ＧａＡｓ基板５０上に例えばＭＢＥ法により、ｎ型
ＧａＡｓバッファ層５２、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５４、Ｉ
型ＡｌＧａＡｓ層８２、ＴＢＱ構造５８、Ｉ型ＡｌＧａ
Ａｓ層８４、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５６を順次結晶成長さ
せた。成長温度は６００℃である。続いて、Ｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ層５６上に所定のパターンのマスクを形成し、フ
ッ酸エッチング液を用いてＰ型ＡｌＧａＡｓ層５６及び
Ｉ型ＡｌＧａＡｓ層８４を選択的にエッチングする。こ
のエッチングはＩ型ＡｌＧａＡｓ層８４の途中まで行な
えばよく、従ってＩ型ＡｌＧａＡｓ層８４の存在により
ＴＢＱ構造５８までエッチングすることが防止される。

【００４９】また、ｎ型コンタクト領域１８及びｐ型コ
ンタクト領域２０の形成は上記第１の実施例において、
受光部のｎ型ＧａＡｓ基板５０及びｎ型ＧａＡｓバッフ
ァ層５２の選択的な化学エッチングは上記第４の実施例
において、それぞれ述べたものと同様である。更に、Ａ
ｕＧｅ／Ａｕ電極層２２とＡｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層２４
の形成及びＡｕＧｅ／Ａｕ電極層６０とＡｕ／Ｚｎ／Ａ
ｕ電極層６２の形成も、それぞれ上記第１及び第４の実
施例において述べたものと同様である。

【００５０】尚、他の製造方法として、ｎ型ＧａＡｓ基
板５０上にｎ型ＧａＡｓバッファ層５２、Ｎ型ＡｌＧａ
Ａｓ層５４、Ｉ型ＡｌＧａＡｓ層８２、ＴＢＱ構造５８
を順次成長させた後、集束イオンビームを用いてドーパ
ントを空間的に分離して注入し、更にＩ型ＡｌＧａＡｓ
層８４、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５６を順次成長させてから
アニーリングで注入したドーパントを活性化してｎ型コ
ンタクト領域１８及びｐ型コンタクト領域２０を形成し
、その後、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５６及びＩ型ＡｌＧａＡ
ｓ層８４を選択的にエッチングしてｎ型コンタクト領域
１８及びｐ型コンタクト領域２０の表面を露出してもよ
い。

【００５１】本実施例によれば、ＴＢＱ構造５８の積層
面に対して平行及び垂直な方向に電界を同時に印加する
ことができるため、上記第１及び第４の実施例の効果を
相乗した効果を発揮することができる。次に、本発明の
第８の実施例による光半導体装置を図１８に示す。本実
施例は、図１１に示す第３の実施例と図１６に示す第６
の実施例とを組み合わせ、ＴＢＱ構造の積層面に対して
平行及び垂直な方向に電界をかけるようにしたものであ
る。従って、図１１及び図１６の光半導体装置と同一の
構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００５２】ここで、ＴＢＱ構造７６とｎ型ＩｎＰ層７
２及びｐ型ＩｎＰ層７４との間にそれぞれｉ型ＩｎＰ層
８６、８８が設けられているのは、上記第７の実施例の
場合と同様に、ｎ型ＩｎＰ層７２及びｐ型ＩｎＰ層７４
とｎ型コンタクト領域３８及びｐ型コンタクト領域４０
とを電気的に分離するためである。また、本実施例の光
半導体装置の製造方法も、半導体材料が異なるだけで上
記第７の実施例の場合とほぼ同様であるが、ｐ型ＩｎＰ
層７４及びｉ型ＩｎＰ層８８の選択的エッチングにおい
ては、ブロム・メタノールを用いた。

【００５３】本実施例によれば、ＴＢＱ構造７６の積層
面に対して平行及び垂直な方向に電界を同時に印加する
ことができるため、上記第３及び第６の実施例の効果を
相乗した効果を発揮することができる。本発明は上記実
施例に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記第
３、第６、第７又は第８の実施例に、上記第２又は第５
の実施例のような金属薄膜を形成してファブリペロエタ
ロンとしてもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、幅の広い
量子井戸に電子及び正孔が溜まるのを防止すると共に、
幅の狭い量子井戸に電子及び正孔が溜まるのを防止して
、光の吸収回復を早くすることができ、超高速で動作す
る光半導体装置を実現できる。また、励起光パルスの繰
返しにも高速応答することができる光半導体装置の実現
も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の原理を説明するためのエネルギ
ーバンド図である。

【図２】従来の原理を説明するためのエネルギーバンド
図である。

【図３】本発明の第２の原理を説明するためのエネルギ
ーバンド図である。

【図４】従来の原理を説明するためのエネルギーバンド
図である。

【図５】本発明の第３の原理を説明するためのエネルギ
ーバンド図である。

【図６】本発明の第３の原理を説明するためのエネルギ
ーバンド図である。

【図７】本発明の第１の実施例による光半導体装置を示
す図である。

【図８】図７の光半導体装置の吸収率変化を示すグラフ
である。

【図９】従来の光半導体装置の吸収率変化を示すグラフ
である。

【図１０】本発明の第２の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【図１１】本発明の第３の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【図１２】本発明の第４の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【図１３】図１２の光半導体装置の吸収率変化を示すグ
ラフである。

【図１４】従来の光半導体装置の吸収率変化を示すグラ
フである。

【図１５】本発明の第５の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【図１６】本発明の第６の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【図１７】本発明の第７の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【図１８】本発明の第８の実施例による光半導体装置を
示す図である。

【符号の説明】

２…第１の物質層４…第２の物質層６…第３の物質層８…第４の物質層１０…半絶縁性ＧａＡｓ基板１２…ＡｌＧａＡｓバッファ層１４…ＡｌＧａＡｓ保護層１６…ＴＢＱ構造１６ａ…ＧａＡｓ層１６ｂ…ＡｌＧａＡｓ層１６ｃ…ＧａＡｓ層１８…ｎ型コンタクト領域２０…ｐ型コンタクト領域２２…ＡｕＧｅ／Ａｕ電極層２４…Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層２６、２８…金属薄膜３０…半絶縁性ＩｎＰ基板３２…ＩｎＰバッファ層３４…ＩｎＰ保護層３６…ＴＢＱ構造３６ａ…ＩｎＧａＡｓ層３６ｂ…ＩｎＰ層３６ｃ…ＩｎＧａＡｓ層３８…ｎ型コンタクト領域４０…ｐ型コンタクト領域４２…ＡｕＧｅ／Ａｕ電極層４４…Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層５０…ｎ型ＧａＡｓ基板５２…ｎ型ＧａＡｓバッファ層５４…Ｎ型ＡｌＧａＡｓ層５６…Ｐ型ＡｌＧａＡｓ層５８…ＴＢＱ構造５８ａ…ＧａＡｓ層５８ｂ…ＡｌＧａＡｓ層５８ｃ…ＧａＡｓ層５８ｄ…ＧａＡｓ層５８ｅ…ＡｌＧａＡｓ層６０…ＡｕＧｅ／Ａｕ電極層６２…Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層６４、６６…金属薄膜７０…ｎ型ＩｎＰ基板７２…ｎ型ＩｎＰ層７４…ｐ型ＩｎＰ層７６…ＴＢＱ構造７６ａ…ＩｎＧａＡｓ層７６ｂ…ＩｎＰ層７６ｃ…ＩｎＧａＡｓ層７６ｄ…ＩｎＧａＡｓ層７６ｅ…ＩｎＰ層７８…ＡｕＧｅ／Ａｕ電極層８０…Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ電極層８２、８４…Ｉ型ＡｌＧａＡｓ層８６、８８…ｉ型ＩｎＰ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　第１の禁制帯幅を有し、励起子の存在
が可能な第１の厚さを有する第１の物質層と、前記第１
の禁制帯幅より大きい第２の禁制帯幅を有し、電子及び
正孔のトンネリングが可能な第２の厚さを有する第２の
物質層と、前記第２の禁制帯幅より小さい第３の禁制帯
幅を有し、前記第１の物質層から前記第２の物質層をト
ンネリングした電子及び／又は正孔がそれぞれ存在する
第３の厚さを有する第３の物質層とが積層された積層体
を備え、前記積層体に光を照射することにより前記第１
の物質層に励起子を発生させる光半導体装置において、
前記積層体に電界をかけるための電界印加手段が設けら
れていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】　　請求項１記載の光半導体装置において
、前記積層体が前記積層体の積層方向に垂直な方向に電
極にて挟まれてなる第１の電界印加手段を有し、前記積
層体の積層面に対して平行な方向に電界をかけることに
より、前記第１の物質層から前記第２の物質層をトンネ
リングしてそれぞれ反対方向の前記第３の物質層に抜け
出した励起子の電子及び正孔を前記第１の電極方向に排
出することを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】　　請求項１又は２記載の光半導体装置に
おいて、前記電極が、ｎ型コンタクト領域を介してなる
ｎ側電極とｐ型コンタクト領域を介してなるｐ側電極と
であり、前記ｎ型コンタクト領域に前記ｐ型コンタクト
領域より高い電圧を印加することにより、前記積層体の
第３の物質層のエネルギバンドを積層面に対して平行な
方向に傾斜させて、前記第３の物質層に存在する励起子
の電子及び正孔をそれぞれ前記ｎ型コンタクト領域方向
及び前記ｐ型コンタクト領域方向に排出することを特徴
とする光半導体装置。
【請求項４】　　請求項１記載の光半導体装置において
、前記積層体が前記積層体の積層方向に垂直な方向に挟
まれてｐｉｎ接合を形成するｐ型半導体層とｎ型半導体
層とからなる第１の電界印加手段を有し、ｐｉｎ接合に
よって生じる内部電界により、前記積層体の第３の物質
層のエネルギバンドを積層面に対して平行な方向に傾斜
させて、前記第３の物質層に存在する電子及び正孔をそ
れぞれ前記ｎ型半導体層方向及び前記ｐ型型半導体層方
向に排出することを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】　　請求項１記載の光半導体装置において
、前記積層体が前記積層体の積層方向に電極にて挟まれ
てなる第２の電界印加手段を有し、前記積層体の積層面
に対して垂直な方向に電界をかけることにより、励起子
の電子及び正孔が前記第１の物質層から前記第２の物質
層をトンネリングしてそれぞれ反対方向の前記第３の物
質層に容易に抜け出すようにすることを特徴とする光半
導体装置。
【請求項６】　　請求項５記載の光半導体装置において
、前記電極が、ｎ型コンタクト領域を介してなるｎ側電
極とｐ型コンタクト領域を介してなるｐ側電極とであり
、前記ｎ型コンタクト領域に前記ｐ型コンタクト領域よ
り高い電圧を印加することにより、前記積層体のエネル
ギーバンドを積層面に対して垂直な方向に傾斜させて、
励起子の電子及び正孔が前記第１の物質層から前記第２
の物質層をトンネリングしてそれぞれ反対方向の前記第
３の物質層に容易に抜け出すようにすることを特徴とす
る光半導体装置。
【請求項７】　　請求項１記載の光半導体装置において
、前記積層体が前記積層体の積層方向に挟まれてｐｉｎ
接合を形成するｐ型半導体層とｎ型半導体層とからなる
第２の電界印加手段を有し、ｐｉｎ接合によって生じる
内部電界により、前記積層体のエネルギーバンドを積層
面に対して垂直な方向に傾斜させて、励起子の電子及び
正孔が前記第１の物質層から前記第２の物質層をトンネ
リングしてそれぞれ反対方向の前記第３の物質層に容易
に抜け出すようにすることを特徴とする光半導体装置。
【請求項８】　　請求項１乃至４のいずれかに記載の光
半導体装置において、請求項５記載の前記第２の電界印
加手段を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項９】　　請求項１乃至８のいずれかに記載の光
半導体装置において、前記積層体の第３の物質層中に、
前記第３の禁制帯幅より大きい第４の禁制帯幅を有し、
前記第３の物質層に存在する電子及び正孔がトンネリン
グすることのできないバリアを形成する第４の物質層が
設けられ、前記第３の物質層によって形成される量子井
戸を第１の量子井戸と第２の量子井戸とに分割すること
を特徴とする光半導体装置。
【請求項１０】　　請求項１乃至９のいずれかに記載の
光半導体装置において、前記積層体の上面及び下面に金
属蒸着膜を形成したことを特徴とする光半導体装置。